SEMI KONDUKTOR 

 

     A. Bahan Semi Konduktor

 

       Bahan semi konduktor adalah bahan yang bersifat setengah konduktor karena celah energi yang dibentuk oleh struktur bahan ini lebih kecil dari celah energi bahan isolator tetapi lebih besar dari celah energi bahan konduktor, sehingga memungkinkan elektron berpindah dari satu atom penyusun ke atom penyusun lain dengan perlakuan tertentu terhadap bahan tersebut (pemberian tegangan, perubahan suhu dan sebagainya). Oleh karena itu semikonduktor bisa bersifat setengah menghantar.

     B. Teori Atom

      Atom adalah partikel yang sangat kecil dan terdiri atas proton, elektron serta neutron.

Tahun 1911, Rutherford melakukan percobaan dan menghasilkan bahwa sebagian besar masa atom dan semua muatan positif berkumpul pada inti atom (di tengah-tengah atom). Atom terdiri atas nukleus (proton dan neutron)  dengan elektron-elektron yang bergerak di sekitas nukleus yang menyerupai sistem tata surya. Dalam konvensi ditetapkan elektron bermuatan negatif, proton bermuatan positif dan neutron tidak bermuatan. Tahun 1913, Niels Bohr mengemukakan bahwa Elektron-elektron dari suatu atom tersusun atas beberapa kulit atau orbit yang berada pada jarak yang berbeda dari inti atom seperti gambar 1.

                                                                        

Gambar 1 Orbit-orbit elektron

Masing-masing orbit mempunyai tingkat energi yang mana semakin tinggi orbit maka makin tinggi energinya. Model Bohr menyatakan  orbit atom dengan penamaan mulai huruf K sampai Q seperti gambar 2.

                                                                               

                                       

                              

                 

       Gambar 2 Model Bohr menyatakan orbit atom dengan huruf K s/d Q

       C. Struktur Atom Bahan Semi Konduktor

Pada suhu nol mutlak atau -273 °C, bahan semikonduktor murni benar-benar merupakan isolator karena semua elektron valensi terikat erat pada tempatnya. Elektron valensi adalah elektron-elektron yang terletak di kulit (orbit) terluar sebuah unsur. 

Atom boron mempunyai elektron valensi 3, silikon memiliki elektron valensi 4, fosfor mempunyai elektron valensi 5, dan seterusnya, seperti tabel 1. Agar konduktivitasnya baik, maka bahan semikonduktor dicampur dengan bahan lain (doping), seperti boron, arsenikum, galium, fosfor, dan lain-lain. 

Tabel 1 Susunan Elektron pada beberapa Atom

Nama Unsur	Lingkaran orbit							Jumlah elektron	Elektron valensi
	K	L	M	N	O	P	Q
Boron	2	3						5	3
Silikon	2	8	4					14	4
Fosfor	2	8	5					15	5
Galium	2	8	18	3				31	3
Germanium	2	8	18	4				32	4
Arsenikum	2	8	18	5				33	5

Bahan-bahan yang bervalensi 3 (trivalen) berfungsi membentuk bahan tipe P (bahan yang kekurangan elektron). Sedangkan bahan-bahan yang bervalensi 5 (pentavalen)  berfungsi membentuk bahan tipe N (bahan yang kelebihan elektron).

Contoh :

Jika sebuah silikon didoping dengan fosfor atau arsenikum maka bahannya disebut bahan semikonduktor tipe N karena memiliki muatan listrik negatif. Sedangkan jika didoping dengan boron atau galium maka bahannya disebut bahan semikonduktor tipe P karena memiliki muatan listrik positif.

 

  D.  Struktur Atom Silikon dan Germanium

Silikon dan Germanium adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam pembuatan komponen elektronika, karena sifatnya :

•       Lebih stabil pada suhu tinggi,

•       Silikon (0,6 V) lebih banyak digunakan dari pada germanium (0,3 V).

•       Jumlah elektron silikon adalah 14 seperti gambar 3 sedangkan germanium 32.

•       Memiliki elektron valensi yang sama, yaitu 4.

                                                                       

Gambar 3  Struktur atom silikon

Angka +14 yang terletak pada inti atom silikon menyatakan jumlah muatan positif proton yang berfungsi mengimbangi muatan negatif elektron-elektron sehingga atom dalam keadaan netral. Gambar 4 adalah struktur atom silikon dengan empat elektro valensi  dan +4 yang artinya 4 muatan positif proton.

                                                              

Gambar 4 Struktur Atom Silikon dengan Elektron Valensinya

Kulit terluar dari suatu atom selalu berupaya mempunyai jumlah elektron 8. Setiap atom selalu berusaha memperoleh konfigurasi atom-atom gas mulia seperti neon, krypton, dan sebagainya yang telah memiliki 8 elektron. Oleh karena itu, kumpulan atom silikon  akan menarik empat elektron dari empat atom tetangganya sehingga membentuk kristal seperti gambar 5. Kristal adalah susunan atom yang membentuk suatu pola ikatan yang teratur (ikatan kovalen) dan membentuk diri menjadi benda padat.

                                                            

Gambar 5 Struktur Irisan Kristal Silikon

Beberapa ikatan kovalen akan pecah karena pengaruh panas.. Semakin tinggi suhu mengenai ikatan kovalen maka semakin banyak ikatan kovalen yang pecah sehingga menghasilkan elektron bebas.

Energi yang dapat memecahkan ikatan kovalen sehingga menghasilkan elektron bebas disebut energi gap (Eg).   

E.  Hukum dasar yang menjelaskan hubungan antara elektron dengan kulit orbit 

•  Elektron bergerak dalam kulit orbit. Elektron tidak dapat mengelilingi inti atom dalam ruangan yang ada antara dua buah kulit orbit.

•  Setiap kulit orbit berhubungan dengan sebuah range energy khusus, elektron-elektron yang bergerak dalam suatu kulit orbit akan memilki sejumlah energi yang sama. .

•   Elektron untuk berpindah dari suatu kulit ke kulit yang lain menyerap energi untuk menyesuaikan level energi antara level energi kulit awal dengan level energi kulit yang dituju.

•   Jika suatu atom menyerap cukup energi untuk berpindah dari suatu kulit yang satu kekulit yang lain, sebenarnya elektron ini kembali melepaskan energi yang diserapnya dan mengembalikannya ke kulit energi yang rendah.   

                                            

                                      

                                                        
                                      Gambar 6  Hubungan antara elektron dan kulit orbit

Apabila ikatan kovelen pecah maka akan mengakibatkan lepasnya elektron yang disebut elektron bebas. Elektron bebas ini meninggalkan tempatnya semula sehingga ruang itu menjadi kosong yang disebut hole atau lubang seperti gambar 7.

                                                                      

Gambar 7 Elektron lepas akibat pecahnya ikatan kovalen

Pada suhu 0K tidak ada elektro yang lepas atau berpindah dari bidang valensi ke bidang konduksi dan bila suhu dinaikkan maka dengan E_G yang cukup dapat membuat elektron berpindah dari bidang valensi ke bidang konduksi seperti gambar 8 dan gambar 9.

                                                          

        

Gambar 8  Bidang tenaga kristal pada suku 0K

 

                                       

Gambar 9 Bidang tenaga Kristal pada suhu agak tinggi

Arah aliran elektron seperti gambar 10 maka kebalikannya akan membuat arah aliran hole.  

 

Gambar 10 Mekanisme konduksi lobang

F. Macam-macam Bahan Semi Konduktor 

   

1. Semi konduktor  Intrinsik (bahan semi konduktor murni)

Jenis bahan semi konduktor intrinsik umumnya mempunyai valensi empat dan ikatan dalam kristalnya adalah ikatan kovalen, hal ini dapat dimengerti karena elektron valensi pada kulit terluar dipakai bersama-sama.

    Sifat-sifat semi konduktor intrinsik:

 -    Jumlah elektron bebas sama dengan hole

 -    Hantaran arus disebabkan oleh elektron bebas dan hole

 -   Arah pergerakan hole sama dengan arah polaritas medan listrik E dan berlawanan arah dengan pergerakan elektron

 -   Umur rata-ratanya adalah antara 100-1000 detik atau lebih. Umur rata-rata dari sepasang elektron-hole (electron-hole pair) adalah jumlah waktu saat tertutupnya pasangan elektron-hole sampai bertemunya elektron bebas dengan hole. Adapun yang mengisi hole pada umumnya adalah elektron yang terikat dilapisan sebelah bawahnya.

2. Semi konduktor Ekstrinsik (semi konduktor tidak murni)

 Jenis bahan semi konduktor ekstrinsik didapat dengan jalan mengadakan doping antara bahan semi konduktor intrinsik dengan bahan yang valensinya berada dibawah atau di atas bahan intrinsik tersebut. Atas dasar tersebut, dibedakan dua jenis semi konduktor ekstrinsik, yaitu :

          a. Semikonduktor jenis n

Gambar 11 menunjukkan bahan semikonduktor jenis n dimana   diperoleh dengan cara doping dengan atom asing bervalensi 5 seperti Fosfor .

                                  

Gambar 11 Terjadinya elektron bebas pada semikonduktor jenis n

Gambar 12 Arus tenaga elektron valensi atom donor

 

Pada semikonduktor jenis n terbentuknya elektron disertai terbentuknya ion positif yang tidak dapat bergerak seperti ditunjukkan gamabr 12 diatas.

1               b.   Semikonduktor jenis p

Gambar 13 menunjukkan bahan semikonduktor tipe p dimana diperoleh dengan doping atom asing bervalensi 3, seperti Boron (B) atau Galium (Ga).

                                                        

Gambar 13 Terjadinya hole pada semikonduktor tipe p

 

Gambar 14 Arus tenaga elektron valensi atom akseptor

Pada semikonduktor jenis p terbentuknya hole disertai terbentuknya ion negatif yang tidak dapat bergerak seperti ditunjukkan gambar 14 diatas.

Konduktivitas bahan semikonduktor terletak di antara konduktor (penghantar listrik ) dan isolator (tidak menghantarkan listrik). Jika ada sejumlah besar elektron pada salah satu tempat pada suatu bahan, sedang pada tempat lain hanya terdapat sedikit elektron, maka elektron-elektron akan mengalir dari tempat yang padat ke tempat yang sedikit sampai tercapainya suatu keseimbangan.